一种确定微波部件的无源互调产物的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种确定微波部件的无源互调产物的方法，能够确定温度和应力影响 下的无源互调产物，主要针对空间飞行器搭载的大功率微波部件，属于空间特殊效应技术 领域。
【背景技术】
[0002] 无源互调效应是研究星载大功率微波系统时必须考虑的突出问题之一。随着现代 通信系统向大功率，宽带宽和高灵敏度方向发展，无源互调对系统性能的影响会越来越严 重，甚至可能使整个系统瘫痪。提出并实现无源互调产物的分析方法，可以快速并有效地 对星载微波系统的无源互调风险进行评估，找到有效控制和减少无源互调危害的方法和措 施。
[0003] 目前关于无源互调产物的预测方法有两种解决思路：一是建立无源非线性部件的 电路模型，根据模型进行分析计算，这种方法建立电路模型过程比较困难；二是建立预测模 型，利用低阶产物的测量值，预测高阶产物电平。分析无源互调问题的常用解析方法有幂级 数法和Volterra级数法。幂级数法是一种拟合曲线的基本方法，该方法被广泛用来分析 P頂问题。幂级数法的优点是：计算简单，关系明了，可以清楚地表示低阶互调产物和高阶 互调产物之间的相互关系，但是幂级数法精度不高。Volterra级数法对于分析具有弱非线 性的系统非常有效，已经在分析弱非线性问题上逐渐成为主要的分析方法，但是当非线性 强烈时，此方法就不太有效。
[0004] 九十年代后各国专家开始尝试用数值方法分析微波部件的无源互调，先后提出了 使用时域物理光学法来分析无源互调产物的方案和解决星载反射面天线无源互调问题的 方法，此后进一步使用基因算法对分析方法进行优化，但该方法要求仿真激励源的电磁波 波长必须远小于散射体的尺寸（曲率半径），应用于天线的无源互调分析，不适用于无源微 波部件的无源互调产物计算。
[0005] ESA曾对金属连接M頂结构产生的无源互调进行了研究。该研究工作同样针对波 导部件法兰结构，建立了外界压力与金属结表面接触面积之间的关系，运用幂级数法对三 阶无源互调分量随表面粗糙度、膜层厚度、外部压力以及输入功率的变化规律进行了预测， 同时在三阶P頂测量结果已知时可以对高阶的PIM进行预测。该方法依然需要在已知某阶 无源互调电平的基础上，推测得到其他无源互调产物，无法直接确定微波部件的无源互调 产物。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种确定微波部件的无 源互调产物的方法，考虑了电磁功率、温度梯度、应力分布等因素的多维变化趋势，提出了 微波部件的无源互调多物理场耦合分析模型，实现了温度和应力影响下的无源互调产物计 算，为空间微波部件的无源互调分析提供技术手段。
[0007] 本发明的技术方案是：一种确定微波部件的无源互调产物的方法，步骤如下：
[0008] 1)建立微波部件中电磁场、温度场与应力场耦合分析模型；
[0009] 11)对微波部件进行电磁计算，根据Maxwell方程组和式⑴得到微波部件内部的 电场分布#和磁场分布身:丨.
[0010]
[0011]其中，y为部件材料的磁导率，W为角频率，复介电常数e。= e-j 〇/?，e为 部件材料的介电常数，C为部件材料的电导率；
[0012] 12)通过式⑵和式⑶得到电磁场引起的损耗，Q = Q1^Qnil作为热场场源，建立 电热耦合关系（4)，进而得到微波部件上由于电热效应各点当前的温度T ;
[0016] 其中，Qril为电阻性损耗，Qnl为磁性损耗，P为部件材料的密度，C p为热容，k为热 传导系数，i?为流体中热传导速度；
[0017]13)建立热力耦合关系，由式（5)得到部件上温度变化产生的应变量einel，
[0018] einel=a(T-Tref) (12)
[0019] 其中，a为热膨胀系数，IrefS应变参考温度，进而得到此时产生的应力值s = Me inel，M为杨氏模量，定义部件中微波的传输方向为部件上应力的正向；由式（6)和式（7) 得到微波部件所发生的形变位移量w，方向定义同应力；
[0022] 其中，s。为初始应力，e为应变张量，e。为初始应变量，C为部件材料的弹性张 量，：为张量积。
[0023]14)重新求解Maxwell方程组与式（1)，得到更新后的微波部件内部的电场分布和 磁场分布，形成三场相互作用的耦合分析模型；
[0024] 2)设定微波部件的结构、材料参数以及输入的激励信号，根据激励信号的中心频 率得到空间网格剖分步长，将微波部件在空间上划分为有限个网格单元，每个网格单元上 调用步骤1)中建立的微波部件中电磁场、温度场与应力场耦合分析模型，求得微波部件内 的电磁场分布，微波部件内表面电流密度J，以及微波部件上的应力分布；
[0025] 3)由步骤2)得到微波部件接触处的应力分布，即接触处各点的应力值s，根据d =4X (s/M)得到微波部件金属接触处结缝隙的应变量d，其中d。为初始缝隙厚度，由部件 初始的接触状态决定；
[0026] 通过微波部件内表面电流密度J，得到微波部件金属接触处结缝隙两端的电压值 V = J?P?d2；
[0027] 4)根据无源互调非线性电流电压关系，得到非线性电流；
[0028] 5)由步骤4)得到的非线性电流，得到部件端口处的无源互调产物。
[0029] 步骤2)中求得微波部件内的电磁场分布，微波部件内表面电流密度J，以及微波 部件上的应力分布的具体方法为：
[0030] 21)将无源互调的电磁场、温度场与应力场耦合分析模型中的方程式写为包含求 解变量的微分方程式，再转化为等价泛函形式；
[0031] 22)在每个网格单元上建立单元试函数，形成单元矩阵；
[0032] 23)将单元矩阵总装成整个求解区域的矩阵方程，即联合方程组，通过迭代法联立 求解方程组，得到所需求解的未知量，即微波部件内的电磁场分布f和古，微波部件内表面 各点的电流密度J，微波部件上的各点处的应力值s。
[0033] 本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0034] (1)本发明提供了一种确定微波部件无源互调电平的方法，特别适用于航天器加 载的大功率微波部件，采用本发明能够有效分析波导法兰连接结、同轴连接器、滤波器等无 源微波部件的无源互调产物，为研究微波部件潜在的无源互调隐患，预测无源互调产物大 小提供分析手段，缩短设计周期，减少研制成本。
[0035] (2)本发明提出的针对无源互调的电磁场、温度场与应力场耦合分析模型，能够获 得无源互调产物随激励信号功率，温度变化和应力分布对无源互调产物的影响，为微波部 件的抗无源互调设计提供了理论参考，同时也避免了仅对复杂星载环境单一物理场影响的 分析，提高了微波部件无源互调产物的分析精度。
[0036] (3)本发明在确定微波部件的无源互调产物的过程中，针对微波部件中无源互调 功率远